Dépendance de la toxicité des nanoparticules sur leurs propriétés physiques et chimiques

Contexte

L'Organisation internationale de normalisation définit les nanoparticules (NP) comme des structures dont la taille dans une, deux ou trois dimensions est comprise entre 1 et 100 nm. Outre la taille, les NP peuvent être classées en fonction de leurs paramètres physiques, par exemple, la charge électrique ; des caractéristiques chimiques, telles que la composition du noyau ou de l'enveloppe du NP ; forme (tubes, films, tiges, etc.); et origine :NP naturelles (NPs contenues dans les poussières volcaniques, particules virales, etc.) et NPs artificielles, qui font l'objet de cette revue.

Les nanoparticules sont devenues largement utilisées dans l'électronique, l'agriculture, la production textile, la médecine et de nombreuses autres industries et sciences. Cependant, la toxicité des NP pour les organismes vivants est le principal facteur limitant leur utilisation dans le traitement et le diagnostic des maladies. À l'heure actuelle, les chercheurs sont souvent confrontés au problème de l'équilibre entre l'effet thérapeutique positif des NP et les effets secondaires liés à leur toxicité. A cet égard, le choix d'un modèle expérimental adéquat pour estimer la toxicité entre in vitro (lignées cellulaires) et in vivo (animaux expérimentaux) est d'une importance primordiale. Les effets toxiques des NP sur les composants cellulaires individuels et les tissus individuels sont plus faciles à analyser dans des modèles in vitro, tandis que les expériences in vivo permettent d'estimer la toxicité des NP pour des organes individuels ou le corps dans son ensemble. De plus, l'effet toxique éventuel des NP dépend de leur concentration, de la durée de leur interaction avec la matière vivante, de leur stabilité dans les fluides biologiques et de leur capacité d'accumulation dans les tissus et les organes. Le développement de NP sûres et biocompatibles pouvant être utilisées pour le diagnostic et le traitement des maladies humaines ne peut être basé que sur une compréhension complète des interactions entre tous les facteurs et mécanismes sous-jacents à la toxicité des NP.

Applications médicales des nanoparticules

En médecine, les NP peuvent être utilisées à des fins diagnostiques ou thérapeutiques. Dans le diagnostic, ils peuvent servir de marqueurs fluorescents pour la détection de biomolécules et d'agents pathogènes et comme agents de contraste dans la résonance magnétique et d'autres études. De plus, les NP peuvent être utilisées pour l'administration ciblée de médicaments, notamment des substances protéiques et polynucléotidiques; dans la thérapie photodynamique et la destruction thermique des tumeurs, et dans la réparation prothétique [1,2,3,4,5,6]. Certains types de NP sont déjà utilisés avec succès en clinique pour l'administration de médicaments et l'imagerie des cellules tumorales [7,8,9].

Les exemples d'utilisation des NP d'or se sont accumulés récemment. Ils se sont avérés être des vecteurs efficaces de produits chimiothérapeutiques et d'autres médicaments. Les NP d'or sont hautement biocompatibles; cependant, bien que l'or en tant que substance soit inerte vis-à-vis des objets biologiques, on ne peut affirmer qu'il en va de même pour les NP d'or, car il n'existe pas encore de données concluantes sur l'absence d'effets toxiques retardés [10]. En plus des NP d'or, celles à base de micelles, de liposomes [11] et de polymères auxquels sont attachées des « molécules de capture » [12] sont déjà utilisées comme vecteurs de médicaments. Les nanotubes à paroi unique et multicouches sont de bons exemples de NP utilisées pour l'administration de médicaments. Ils conviennent pour attacher divers groupes fonctionnels et molécules pour une livraison ciblée, et leur forme unique leur permet de pénétrer sélectivement à travers les barrières biologiques [13]. L'utilisation de NP comme véhicules pour les médicaments améliore la spécificité de la livraison et diminue la quantité minimale de NP nécessaire pour atteindre et maintenir l'effet thérapeutique, réduisant ainsi la toxicité éventuelle. Ceci est particulièrement important dans le cas d'agents chimio et radiothérapeutiques hautement toxiques et de courte durée de vie [14].

Les points quantiques (QD) constituent un autre groupe de NP à fort potentiel d'utilisation clinique. Les QD sont des nanocristaux semi-conducteurs de 2 à 10 nm. Leur capacité de fluorescence dans différentes régions spectrales, y compris l'infrarouge [15], les rend adaptées au marquage et à l'imagerie de cellules, de structures cellulaires ou d'agents biologiques pathogènes, ainsi qu'à divers processus dans les cellules, les tissus et le corps dans son ensemble [ 16,17,18], ce qui a des implications diagnostiques importantes [19, 20]. Les NP à base d'oxyde de fer superparamagnétique sont efficacement utilisées comme agents de contraste en tomographie par résonance magnétique (MRT) pour l'imagerie des tissus du foie, de la moelle osseuse et des ganglions lymphatiques [21]. Il existe également un exemple où des nanotubes de carbone à paroi unique marqués radioactivement et fonctionnalisés avec des phospholipides ont été utilisés pour marquer des tumeurs contenant des intégrines et leur détection ultérieure au moyen de la tomographie par émission de positons dans des expériences sur des souris [22].

Les nanoparticules ont également été utilisées dans la conception de biocapteurs, notamment ceux à base de nanotubes de carbone pour mesurer le taux de glucose [23], détecter des fragments et des régions d'ADN spécifiques [24] et identifier des cellules bactériennes [25].

Les NP d'argent (ou contenant de l'argent) exercent des effets antimicrobiens et cytostatiques ; pour cette raison, ils sont largement utilisés en médecine, par exemple pour le traitement des bandages, des instruments chirurgicaux, des prothèses et des contraceptifs [13, 22]. Il a été rapporté que les NP d'argent servent d'agents de conservation efficaces et sûrs dans l'industrie cosmétique [26].

Cependant, les NP peuvent encore être hautement toxiques, même si l'innocuité de l'utilisation de plusieurs de leurs constituants chimiques en médecine a été prouvée. L'effet toxique peut être causé par leurs propriétés physiques et chimiques uniques, qui sous-tendent des mécanismes spécifiques d'interaction avec les systèmes vivants. En général, cela détermine l'importance d'étudier les causes et les mécanismes de l'effet toxique potentiel des NP.

Mécanismes de toxicité des nanoparticules

La toxicité des NP est largement déterminée par leurs caractéristiques physiques et chimiques, telles que leur taille, leur forme, leur surface spécifique, leur charge de surface, leur activité catalytique et la présence ou l'absence d'une coquille et de groupes actifs à la surface.

La petite taille des NP leur permet de pénétrer à travers les barrières épithéliales et endothéliales dans la lymphe et le sang pour être transportés par la circulation sanguine et le flux lymphatique vers différents organes et tissus, y compris le cerveau, le cœur, le foie, les reins, la rate, la moelle osseuse et système nerveux [27, 28], et soit être transporté dans les cellules par des mécanismes de transcytose, soit simplement y diffuser à travers la membrane cellulaire. Les nanomatériaux peuvent également augmenter l'accès à la circulation sanguine par ingestion [29, 30]. Certains nanomatériaux peuvent pénétrer dans la peau [31, 32] et des microparticules encore plus importantes peuvent pénétrer dans la peau lorsqu'elle est fléchie [33]. Les nanoparticules, en raison de leur petite taille, peuvent extravaser à travers l'endothélium dans les sites inflammatoires, l'épithélium (par exemple, le tractus intestinal et le foie), les tumeurs ou pénétrer dans les microcapillaires [34]. Des expériences modélisant les effets toxiques des NP sur le corps ont montré que les NP provoquent une thrombose en augmentant l'agrégation plaquettaire [35], l'inflammation des voies respiratoires supérieures et inférieures, les troubles neurodégénératifs, les accidents vasculaires cérébraux, l'infarctus du myocarde et d'autres troubles [36,37,38 ]. Notez que les NP peuvent pénétrer non seulement dans les organes, les tissus et les cellules, mais également dans les organites cellulaires, par exemple les mitochondries et les noyaux ; cela peut altérer considérablement le métabolisme cellulaire et provoquer des lésions de l'ADN, des mutations et la mort cellulaire [39].

Il a été démontré que la toxicité des QD est directement liée à la fuite d'ions libres de métaux contenus dans leurs noyaux, tels que le cadmium, le plomb et l'arsenic, lors de l'oxydation par des agents environnementaux. Les QD peuvent être absorbés par les mitochondries et provoquer des changements morphologiques et un dysfonctionnement des organites [40]. Entrée de QD à base de cadmium dans les cellules et formation de Cd ²⁺ libre libre ions provoque un stress oxydatif [41, 42].

Des études récentes ont montré que le contact du tissu pulmonaire avec des NP d'une taille d'environ 50 nm entraîne la perforation des membranes des cellules alvéolaires de type I et l'entrée résultante des NP dans les cellules. Ceci, à son tour, provoque une nécrose cellulaire, comme en témoigne la libération de lactate déshydrogénase [43]. Il existe des preuves que la pénétration QD augmente la fluidité de la membrane cellulaire [44]. D'autre part, la formation d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) induite par la peroxydation des lipides membranaires peut entraîner une perte de flexibilité membranaire, qui, ainsi qu'une fluidité anormalement élevée, entraîne inévitablement la mort cellulaire.

L'interaction des NP avec le cytosquelette peut également l'endommager. Par exemple, TiO₂ Les NP induisent des changements de conformation de la tubuline et inhibent sa polymérisation [45], ce qui perturbe le transport intracellulaire, la division cellulaire et la migration cellulaire. Dans les cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine (HUVEC), les lésions du cytosquelette entravent la maturation des complexes adhésifs de coordination qui lient le cytosquelette à la matrice extracellulaire, perturbant ainsi la formation du réseau vasculaire [46].

De plus, la cytotoxicité des NP peut interférer avec la différenciation cellulaire et la synthèse des protéines, ainsi qu'activer les gènes pro-inflammatoires et la synthèse des médiateurs inflammatoires. Il convient de noter en particulier que les mécanismes de protection normaux n'affectent pas les NP; L'absorption par les macrophages de grosses nanoparticules pégylées est plus efficace que l'absorption de petites, ce qui conduit à l'accumulation de NP dans le corps [47]. Il a été démontré que les nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques perturbent ou suppriment entièrement la différenciation ostéogénique des cellules souches et activent la synthèse de molécules signal, d'antigènes tumoraux, etc. [48, 49]. De plus, l'interaction des NP avec la cellule améliore l'expression des gènes responsables de la formation des lysosomes [50], perturbe leur fonctionnement [51] et inhibe la synthèse des protéines [52, 53]. Une étude sur les effets toxiques des NP de différentes compositions sur les cellules épithéliales pulmonaires et les lignées cellulaires tumorales humaines a montré que les NP stimulent la synthèse de médiateurs de l'inflammation, par exemple l'interleukine 8 [54]. Selon Park, qui a étudié l'expression des cytokines pro-inflammatoires in vitro et in vivo, les expressions de l'interleukine 1 bêta (IL-1β) et du facteur de nécrose tumorale alpha (TNFα) sont augmentées en réponse aux nanoparticules de silicium [55].

L'oxydation, ainsi que l'action de diverses enzymes sur la coquille et la surface des NP, entraînent leur dégradation et la libération de radicaux libres. En plus de l'effet toxique des radicaux libres exprimé sous forme d'oxydation et d'inactivation d'enzymes, de mutagenèse et de perturbation des réactions chimiques conduisant à la mort cellulaire, la dégradation des NP entraîne une altération ou une perte de leur propre fonctionnalité (par exemple, la perte du moment magnétique et les changements dans le spectre de fluorescence et le transport ou d'autres fonctions) [56, 57].

En résumé, les mécanismes les plus courants de la cytotoxicité des NP sont les suivants :

1. 1.

   Les NP peuvent provoquer une oxydation via la formation de ROS et d'autres radicaux libres ;

2. 2.

   Les NP peuvent endommager les membranes cellulaires en les perforant ;

3. 3.

   Les NP endommagent les composants du cytosquelette, perturbant le transport intracellulaire et la division cellulaire ;

4. 4.

   Les NP perturbent la transcription et endommagent l'ADN, accélérant ainsi la mutagenèse ;

5. 5.

   Les NP endommagent les mitochondries et perturbent leur métabolisme, ce qui entraîne un déséquilibre énergétique cellulaire ;

6. 6.

   Les NP interfèrent avec la formation des lysosomes, entravant ainsi l'autophagie et la dégradation des macromolécules et déclenchant l'apoptose ;

7. 7.

   Les NP provoquent des changements structurels dans les protéines membranaires et perturbent le transport de substances dans et hors des cellules, y compris le transport intercellulaire ;

8. 8.

   Les NP activent la synthèse de médiateurs inflammatoires en perturbant les mécanismes normaux du métabolisme cellulaire, ainsi que le métabolisme des tissus et des organes (Fig. 1).

Mécanismes d'endommagement des cellules par les nanoparticules. (1) Dommages physiques des membranes [43, 67, 75]. (2) Modifications structurelles des composants du cytosquelette [45, 46]. (3) Perturbation de la transcription et dommages oxydatifs de l'ADN [61, 62]. (4) Dommages aux mitochondries [39, 40]. (5) Perturbation du fonctionnement des lysosomes [51]. (6) Génération d'espèces réactives de l'oxygène [61]. (7) Perturbation des fonctions des protéines membranaires [172]. (8) Synthèse des facteurs et médiateurs inflammatoires [54, 55]

Bien qu'il existe de nombreux mécanismes de toxicité des NP, il est nécessaire de déterminer et de classer le type et le mécanisme de chaque effet toxique particulier des NP en fonction de leurs propriétés physiques et chimiques.

Relations entre la toxicité des nanoparticules et leurs propriétés physiques et chimiques

On considère que la toxicité des NP dépend de leurs caractéristiques physiques et chimiques, y compris la taille, la forme, la charge de surface, les compositions chimiques du noyau et de l'enveloppe et la stabilité. En particulier, Oh et al., en utilisant la méta-analyse des données de 307 articles décrivant 1741 échantillons de données liés à la viabilité cellulaire, ont récemment analysé la toxicité des points quantiques du CdSe. Il a été montré que la nanotoxicité QD est étroitement corrélée à leurs propriétés de surface (y compris les modifications de la coque, du ligand et de la surface), le diamètre, le type d'essai de toxicité utilisé et le temps d'exposition [58]. Lequel de ces facteurs est le plus important est déterminé par la tâche expérimentale et le modèle spécifiques ; par conséquent, nous allons maintenant considérer chaque facteur séparément.

Taille et toxicité des nanoparticules

La taille et la surface des NP jouent un rôle important, déterminant en grande partie le mécanisme unique d'interaction des NP avec les systèmes vivants. Les NP sont caractérisées par une très grande surface spécifique, ce qui détermine leur grande capacité de réaction et leur activité catalytique. Les tailles des NP (de 1 à 100 nm) sont comparables à la taille des globules de protéines (2 à 10 nm), au diamètre de l'hélice d'ADN (2 nm) et à l'épaisseur des membranes cellulaires (10 nm), ce qui leur permet de facilement entrer dans les cellules et les organites cellulaires. Par exemple, Huo et al. ont démontré que les NP d'or ne dépassant pas 6 nm pénètrent efficacement dans le noyau cellulaire, tandis que les grandes NP (10 ou 16 nm) ne pénètrent qu'à travers la membrane cellulaire et ne se trouvent que dans le cytoplasme. Cela signifie que les NP de plusieurs nanomètres sont plus toxiques que les NP de 10 nm ou plus, qui ne peuvent pas pénétrer dans le noyau [59]. Pan et al. ont retracé la dépendance de la toxicité des NP d'or sur leur taille dans la gamme de 0,8 à 15 nm. Les NP de 15 nm se sont avérées 60 fois moins toxiques que les NP de 1,4 nm pour les fibroblastes, les cellules épithéliales, les macrophages et les cellules de mélanome. Il est également à noter que les NP de 1,4 nm provoquent une nécrose cellulaire (dans les 12 h suivant leur ajout au milieu de culture cellulaire), alors que les NP de 1,2 nm provoquent principalement l'apoptose [60]. Ces données suggèrent non seulement que les NP peuvent entrer dans le noyau, mais aussi que la correspondance de la taille géométrique des NP (1,4 nm) avec celle du sillon principal de l'ADN leur permet d'interagir efficacement avec le squelette de l'ADN sucre-phosphate chargé négativement et bloquer la transcription [61, 62].

De plus, la taille des NP détermine en grande partie comment les NP interagissent avec les systèmes de transport et de défense des cellules et du corps. Cette interaction, à son tour, affecte la cinétique de leur distribution et de leur accumulation dans l'organisme. L'article de synthèse de [63] présente à la fois des considérations théoriques et de nombreuses données expérimentales démontrant que les NP inférieures à 5 nm surmontent généralement les barrières cellulaires de manière non spécifique, par exemple par translocation, tandis que les particules plus grosses pénètrent dans les cellules par phagocytose, macropinocytose et mécanismes de transport spécifiques et non spécifiques. . On pense qu'une taille de NP d'environ 25 nm est optimale pour la pinocytose, bien que cela dépende également fortement de la taille et du type de cellule [63, 64]. Des expériences in vivo ont montré que les NP inférieures à 10 nm sont rapidement distribuées dans tous les organes et tissus lors de l'administration intraveineuse, alors que la plupart des NP plus grandes (50 à 250 nm) se trouvent dans le foie, la rate et le sang [65]. Cela suggère que les grandes NP sont reconnues par des systèmes de défense spécifiques de l'organisme et absorbées par le système des phagocytes mononucléaires, ce qui les empêche de pénétrer dans d'autres tissus. De plus, Talamini et al. ont affirmé que la taille et la forme des NP influencent la cinétique d'accumulation et d'excrétion des NP d'or dans les organes filtrants, et que seules les NP d'or en forme d'étoile sont capables de s'accumuler dans les poumons. Ils ont également montré que les modifications de la géométrie des NP n'amélioraient pas le passage NP de la barrière hémato-encéphalique [66].

La grande surface spécifique assure une adsorption efficace des NP sur la surface cellulaire. Cela a été montré dans une étude sur l'activité hémolytique de particules de silicium mésoporeux de 100 à 600 nm vis-à-vis des érythrocytes humains [67]. Les particules d'une taille de 100 nm ont été efficacement adsorbées à la surface des érythrocytes sans provoquer de destruction cellulaire ni de modifications morphologiques des cellules, tandis que les particules de 600 nm ont déformé la membrane et ont pénétré dans les cellules, entraînant la destruction des érythrocytes (hémolyse) [67].

Forme et toxicité des nanoparticules

Les formes caractéristiques des NP sont des sphères, des ellipsoïdes, des cylindres, des feuilles, des cubes et des tiges. La toxicité des NP dépend fortement de leur forme. Cela a été démontré pour de nombreuses NP de formes et de compositions chimiques différentes [68,69,70,71]. Par exemple, les NP sphériques sont plus sujettes à l'endocytose que les nanotubes et les nanofibres [72]. Il a été découvert que les nanotubes de carbone à paroi unique bloquent plus efficacement les canaux calciques que les fullerènes sphériques [73].

La comparaison des effets des NP d'hydroxyapatite avec différentes formes (en forme d'aiguille, en forme de plaque, en forme de tige et sphérique) sur des cellules BEAS-2B cultivées a montré que les NP en forme de plaque et d'aiguille provoquent la mort d'une plus grande proportion de cellules que les NP sphériques et en bâtonnets [74]. Cela s'explique en partie par la capacité des NP en forme de plaque et d'aiguille à endommager les cellules et les tissus lors d'un contact direct. Hu et al. [75] ont obtenu des données intéressantes en étudiant les dommages causés aux cellules de mammifères par des nanofeuillets d'oxyde de graphène. La toxicité de ces NPs a été déterminée par leur forme leur permettant d'endommager physiquement la membrane cellulaire. Cependant, leur toxicité s'est avérée diminuer avec une augmentation de la concentration sérique de veau fœtal dans le milieu de culture. Cela s'explique par une grande capacité des NP d'oxyde de graphène à adsorber les molécules de protéines, qui recouvrent la surface des NP, modifiant ainsi la forme des NP et prévenant en partie les dommages aux membranes cellulaires [75].

Composition chimique et toxicité des nanoparticules

Bien que la toxicité des NP dépende fortement de leur taille et de leur forme, l'influence d'autres facteurs, tels que la composition chimique et la structure cristalline des NP, ne doit pas être négligée. Comparaison des effets du dioxyde de silicium 20 nm (SiO₂ ) et les NP d'oxyde de zinc (ZnO) sur des fibroblastes de souris a montré qu'elles diffèrent dans les mécanismes de toxicité. Les NP de ZnO provoquent un stress oxydatif, tandis que SiO₂ Les NP modifient la structure de l'ADN [76].

La toxicité des NP est en effet largement déterminée par leur composition chimique. Il a été démontré que la dégradation des NP peut se produire, et son étendue dépend des conditions environnementales, par exemple, le pH ou la force ionique. La cause la plus fréquente de l'effet toxique des NPs interagissant avec les cellules est la fuite d'ions métalliques du noyau NP. La toxicité dépend également de la composition du noyau de NP. Certains ions métalliques, tels que Ag et Cd, sont en effet toxiques et, par conséquent, endommagent les cellules. D'autres ions métalliques, tels que Fe et Zn, sont biologiquement utiles, mais, à des concentrations élevées, ils pourraient endommager les voies cellulaires et, par conséquent, provoquer une toxicité élevée. Cependant, cet effet peut être diminué, par exemple, en recouvrant les noyaux de NP de coques polymères épaisses, de couches de silice ou de coques en or au lieu de ligands courts ou en utilisant des composés non toxiques pour la synthèse de NP. D'autre part, la composition du noyau pourrait être altérée par l'ajout d'autres métaux. Cela peut entraîner une stabilité chimique améliorée contre la dégradation des NP et les fuites d'ions métalliques dans le corps [77].

La toxicité des NP dépend également de leur structure cristalline. La relation entre la structure cristalline et la toxicité a été étudiée en utilisant une lignée cellulaire d'épithélium bronchique humain et des NP d'oxyde de titane avec différents types de réseau cristallin. Il a été démontré que les NP avec une structure cristalline de type rutile (TiO₂ en forme de prisme cristaux) provoquent des dommages oxydatifs de l'ADN, une peroxydation lipidique et la formation de micronoyaux, ce qui indique une ségrégation anormale des chromosomes pendant la mitose, tandis que les NP avec une structure cristalline de type anatase (octaédrique TiO₂ cristaux) de même taille ne sont pas toxiques [78]. Il convient de noter que la structure cristalline du NP peut varier en fonction de l'environnement, par exemple lors de l'interaction avec l'eau, les fluides biologiques ou d'autres milieux de dispersion. Il existe des preuves que le réseau cristallin des NP de ZnS est réarrangé en une structure plus ordonnée au contact de l'eau [79].

Charge de surface et toxicité des nanoparticules

La charge de surface des NPs joue un rôle important dans leur toxicité, car elle détermine en grande partie les interactions des NPs avec les systèmes biologiques [80, 81].

Les surfaces des NP et leurs charges pourraient être modifiées en greffant des polymères différemment chargés. Le PEG (polyéthylène glycol) ou l'acide folique est souvent utilisé pour améliorer l'absorption intracellulaire des NP et la capacité à cibler des cellules spécifiques [82]. La synthèse de nanoparticules de TiO2 biocompatibles contenant des groupements fonctionnels NH2 ou SH a également été rapportée [83]. D'autres substances, telles que le méthotrexate, la polyéthylèneimine et le dextrane, ont également été utilisées pour modifier les surfaces de NP et leur charge [84].

Une toxicité élevée des NP chargées positivement s'explique par leur capacité à entrer facilement dans les cellules, contrairement aux NP chargées négativement et neutres. Ceci est expliqué par l'attraction électrostatique entre les glycoprotéines de la membrane cellulaire chargées négativement et les NP chargées positivement. La comparaison des effets cytotoxiques des NPs de polystyrène chargées négativement et positivement sur les cellules HeLa et NIH/3T3 a montré que ces dernières NPs sont plus toxiques. Ce n'est pas seulement parce que les NP chargées positivement pénètrent plus efficacement à travers la membrane, mais aussi parce qu'elles sont plus fortement liées à l'ADN chargé négativement, provoquant ses dommages et, par conséquent, la prolongation de la phase G0/G1 du cycle cellulaire. Les NP chargées négativement n'ont aucun effet sur le cycle cellulaire [85]. Des résultats similaires ont été obtenus pour les NP d'or chargées positivement et négativement, les NP positives étant absorbées par les cellules en plus grande quantité et plus rapidement que les négatives et étant plus toxiques [86].

Les NP chargées positivement ont une capacité accrue d'opsonisation, c'est-à-dire d'adsorption de protéines facilitant la phagocytose, y compris les anticorps et les composants du complément, à partir du sang et des fluides biologiques [87]. Les protéines adsorbées, appelées couronnes protéiques, peuvent affecter les propriétés de surface des NP. Par exemple, ils peuvent modifier la charge de surface, les caractéristiques d'agrégation et/ou le diamètre hydrodynamique des NP. De plus, l'adsorption des protéines à la surface des NP conduit à leurs changements de conformation, qui peuvent diminuer ou inhiber complètement les activités fonctionnelles des protéines adsorbées. La couronne protéique est principalement constituée de protéines sériques majeures, telles que l'albumine, le fibrinogène et l'immunoglobuline G, ainsi que d'autres molécules effectrices, signal et fonctionnelles [88, 89]. La liaison aux NP altère la structure des protéines, ce qui entraîne la perte de leur activité enzymatique, la perturbation des processus biologiques et la précipitation de structures polymères ordonnées, par exemple les fibrilles amyloïdes [90]. Cela peut conduire à diverses maladies, telles que l'amylose. Des expériences in vitro ont démontré que les QD recouverts d'un polymère hydrophile accélèrent la formation de fibrilles de β₂ humain des microglobulines, qui sont ensuite disposées en structures multicouches à la surface des particules ; cela se traduit par une augmentation locale de la concentration en protéines à la surface des NP, une précipitation et la formation d'oligomères [91].

Xu et al. a développé une méthode pour changer la charge NP de négative à positive via diverses modifications de la surface. Par exemple, les NP polymères ont été modifiées avec un polymère sensible au pH de sorte que, chargées négativement en milieu neutre, elles acquièrent une charge positive en milieu acide, à pH 5–6 [92]. Cette technique permet d'augmenter considérablement le taux d'absorption des NP par les cellules, ce qui pourrait être utilisé pour l'administration de médicaments aux cellules tumorales. L'estimation de la cytotoxicité des nanoparticules d'oxyde de cérium modifiées en surface pour les cellules H9C2, HEK293, A549 et MCF-7 a montré que des effets biologiques et toxiques différents peuvent être obtenus en utilisant différents polymères pour rendre les nanoparticules chargées positivement ou négativement ou neutres. Plus précisément, les NP chargées positivement et neutres sont absorbées par tous les types de cellules au même taux, tandis que les NP chargées négativement s'accumulent principalement dans les cellules tumorales [93]. Ainsi, la modification de la charge des NP permet de contrôler leur localisation et leur toxicité, ce qui pourrait être utilisé pour développer des systèmes efficaces d'administration de médicaments chimiothérapeutiques aux tumeurs.

Coquille et toxicité des nanoparticules

L'application d'une coque sur la surface des NP est nécessaire pour modifier leurs propriétés optiques, magnétiques et électriques ; il est utilisé pour améliorer la biocompatibilité et la solubilité des NP dans l'eau et les fluides biologiques en diminuant leur capacité d'agrégation, en augmentant leur stabilité, etc. Ainsi, la coquille diminue la toxicité des NP et leur fournit la capacité d'interaction sélective avec différents types de cellules et molécules biologiques. De plus, la coquille influence considérablement la pharmacocinétique des NP, modifiant les modèles de distribution et d'accumulation des NP dans le corps [94].

Comme indiqué ci-dessus, la toxicité des NP est en grande partie liée à la formation de radicaux libres [40, 57, 95, 96]. Cependant, la coquille peut considérablement atténuer ou éliminer cet effet négatif, ainsi que stabiliser les NP, augmenter leur résistance aux facteurs environnementaux, diminuer la libération de substances toxiques ou les rendre spécifiques d'un tissu [97]. Par exemple, Cho et al. polymères modifiés NP en les enrobant de lectines. Les NP modifiées se sont sélectivement liées aux cellules tumorales présentant des molécules d'acide sialique à la surface, ce qui a rendu les NP adaptées au marquage spécifique des cellules cancéreuses [98].

La surface NP peut être modifiée à la fois avec des composés organiques et inorganiques, par exemple, du polyéthylène glycol, de l'acide polyglycolique, de l'acide polylactique, des lipides, des protéines, des composés de faible poids moléculaire et du silicium. Cette variété de modificateurs permet de former des systèmes complexes à la surface des NP pour modifier les propriétés des NP et pour leur transport et accumulation spécifiques.

Des nanoparticules recouvertes de coquilles de polymères synthétiques sont utilisées pour l'administration d'antigènes, servant ainsi d'adjuvants renforçant la réponse immunitaire. Cela permet d'obtenir des vaccins contre les antigènes cibles d'une forte immunité cellulaire naturelle non spécifique [99].

La coque est souvent utilisée pour améliorer la solubilisation et diminuer la toxicité des QD, car leurs noyaux métalliques sont hydrophobes et se composent principalement de métaux lourds toxiques, tels que le cadmium, le tellure et le mercure. La coque augmente la stabilité du noyau QD et empêche son dessalement et sa dégradation oxydative ou photolytique. Ceci, à son tour, diminue la fuite d'ions métalliques à l'extérieur du noyau QD et, par conséquent, la toxicité des QD [100,101,102].

Étude de la toxicité des nanoparticules

Au cours des deux dernières décennies, l'utilisation des NP s'est considérablement étendue et a conduit à la fondation de la nanotoxicologie, une nouvelle science étudiant les effets toxiques potentiels des NP sur les systèmes biologiques et écologiques. L'objectif général de la nanotoxicologie est de développer les règles de synthèse des NP sûres [103]. Cela nécessite une approche systémique globale de l'analyse des propriétés toxiques des NP et de leurs effets sur les cellules, les tissus, les organes et le corps dans son ensemble.

Il existe deux approches courantes pour l'étude des effets de diverses substances sur les systèmes vivants, qui sont également applicables aux effets toxiques des NP :des expériences in vitro sur des lignées cellulaires modèles et des expériences in vivo sur des animaux de laboratoire. Nous ne considérons pas ici la troisième approche possible pour estimer la toxicité des NP, la simulation informatique, car les voies et mécanismes des effets toxiques des NP ne sont pas suffisamment connus pour qu'un modèle informatique prédise les conséquences des interactions entre les NP et la matière vivante pour un large gamme de NP avec une fiabilité suffisante.

La culture cellulaire et les modèles expérimentaux animaux pour étudier la toxicité des NP ont leurs avantages et leurs inconvénients spécifiques. Les premiers permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires de la toxicité et l'identification des cibles primaires des NP; cependant, les schémas de distribution des NP dans le corps et leur transport vers différents tissus et cellules ne sont pas pris en compte. L'étude de la toxicité des NP en expérimentation animale permet d'estimer les effets retardés de l'action des NP in vivo. However, the general pattern of toxicity manifestations becomes so complicated that it is impossible to determine which of them is the primary cause of the observed effect and which are its consequences.

Study of Toxicity in Cell Cultures

Many studies of NP toxicity are carried out in primary cell cultures serving as models of various types of human and animal tissues. In some cases, tumor cell lines are used, e.g., for estimating the toxic effects of NPs used in cancer chemotherapy. The type of cells is selected according to the potential route by which NPs enter the body. This may be oral uptake (mainly by ingestion), transdermal uptake (through the skin surface), inhalation uptake of NPs contained in the breathing air, or intentional NP injection in clinic. Intestinal epithelium cells (Caco-2, HT29, and SW480) are often used in experimental models for studying the toxicity of ingested NPs (Table 1). In these models, the kinetics of NP uptake by cells and the viability of cells upon the NP uptake are studied.

The NPs that serve as carriers of drugs or contrast agents, or those used for imaging, are administered by injection. The toxicity of these NPs is studied in primary blood cell cultures. Most commonly, hemolysis, platelet activation, and platelet aggregation are estimated. In addition to primary blood cell cultures, cultured HUVECs, mesenchymal stem cells, mononuclear blood cells, and various tumor cell lines (HeLa, MCF-7, PC3, C4-2, and SKBR-3) are used (Table 2).

The toxicity of inhaled NPs is studied using the cell lines modeling different tissues of the respiratory system, e.g., A549 and C10 cells of pulmonary origin, alveolar macrophages (RAW 264.7), various epithelial cells and fibroblasts (BEAS-2B, NHBE, 16-HBE, SAEC), as well as human monocytes (THP-1) (Table 3).

The toxicity of NPs that enter the body transdermally is usually studied in keratinocytes, fibroblasts, and, more rarely, sebocytes (cells of sebaceous glands) (Table 4).

Co-cultured Cell Lines and 3D Cell Cultures

Although the majority of in vitro nanotoxicity studies are carried out on cell monocultures, studies using two other approaches are increasingly often reported in the literature. One of them is co-culturing of several types of cells; the other is the use of 3D cultures. The rationale for these approaches is the need for more realistic models of mammalian tissues and organs. For example, co-cultured Caco-2 epithelial colorectal adenocarcinoma cells and Raji cells (a lymphoblast cell line) have served as a model of the human intestinal epithelium in experiments on the toxicity of silver NPs [104]. A co-culture of three cell lines derived from lung epithelial cells, human blood macrophages, and dendritic cells has been used as an experimental model in a study on the toxic effects of inhaled NPs [105]. A model of skin consisting of co-cultured fibroblasts and keratinocytes has been suggested [106].

It is known that the cell phenotype, as well as cell functions and metabolic processes, is largely determined by the complex system of cell interactions with other cells and the surrounding extracellular matrix [107]. Therefore, many important characteristics of cells with an adhesive type of growth in a monolayer culture substantially differ from those of the same cells in the living tissue; hence, conclusions from many experiments on the NP toxic effects on cells growing in a monolayer are somewhat incorrect [108]. Experimental 3D models of tissues and organs have been used for analysis of NP toxicity and penetration into cells in several published studies. For example, there are 3D models based on polymer hydrogels [109] and models constructed in special perfusion chambers containing a semipermeable membrane to which the cells are attached. Li et al. and Lee et al. [110, 111] used multicellular spheroids about 100 μm in size to obtain a 3D model of the liver and compare the toxicities of CdTe and Au NPs in experiments on this model and a monolayer culture of liver cells [111]. The results obtained using the 3D model were more closely correlated with the data obtained in experiments on animals, which indicates a considerable potential of this approach for adequate and informative testing of NP toxicity.

In vivo Study of Nanoparticle Toxicity

In addition to the study of multilayered and 3D cell cultures, the behavior of NPs in the living body is being extensively studied. Since these studies are focused on the biomedical applications of NPs, the NP toxicity for living organisms remains an important issue. Although NPs are highly promising for various clinical applications, they are potentially hazardous. This hazard cannot be estimated correctly in vitro, following from the comparison of the in vivo and in vitro effects of NPs.

Dioxyde de titane (TiO₂ ) particles are among the most widely used NPs, in particular, in environment protection measures. Therefore, it was exceptionally important to estimate their toxicity in the case of a 100% bioavailability, namely, in experiments with their intravenous injection to experimental animals. This study has been performed by Fabian et al. [112]. Experimental animals (rats) were injected with a suspension of TiO₂ NPs at a dose of 5 mg/kg, and their biodistribution, as well as the general condition of the animals, was monitored. The results have shown that the animals exhibit no signs of ailment or disorder, nor is inflammation or another manifestation of a toxic effect observed, within 28 days. This suggests that TiO₂ NPs are relatively harmless.

Silver NPs are another example of NPs potentially useful in medicine, owing to their antimicrobial activity. Their toxicity and biodistribution were analyzed in an experiment where CD-1 mice were intravenously injected with 10 mg/kg of silver NPs of different sizes (10, 40, and 100 nm) coated with different shells. Although each type of NPs was found to cause toxic damage of tissues, larger particles were less toxic, probably, due to their lower penetration capacity [113]. Asare et al. [114] estimated the genotoxicity of silver and titanium NPs administered at a dose of 5 mg/kg. They have found that silver NPs cause DNA strand breaks and oxidation of purine bases in the tissues examined. Gold nanoparticles have a similar effect [115]. They have been shown to be toxic for mice, causing weight loss, decrease in the hematocrit, and reduction of the red blood cell count.

Targeted drug delivery is one of the most important applications of NPs. In this case, it is also paramount to know their toxic properties, because the positive effect of their use should prevail over the negative one. Kwon et al. [116] have developed antioxidant NPs from the polymeric prodrug of vanillin. Their study has shown that the NPs have no toxic effect on the body, specifically the liver, at doses lower than 2.5 mg/kg. Similar results have been obtained for gelatin NPs modified with polyethylene glycol, which are planned to be used for targeted delivery of ibuprofen sodium salt [117]. The NPs have proved to be nontoxic at the dose that is necessary for effective drug delivery (1 mg/kg), which has been confirmed by measuring the inflammatory cytokine levels in the animals studied, as well as histological analysis of their organs.

Quantum dots are among the NPs that are most promising for medical applications (Fig. 2). However, they are potentially hazardous for human health, because they exhibit various toxic effects in both in vitro and in vivo experiments [118,119,120,121,122].

The possible reasons why quantum dots may be nontoxic in animal models. (1) The shell prevents the leakage of heavy metals into the body [129, 135]. (2) Quantum dots are localized in the liver and subsequently eliminated from the body [135, 173]. (3) The protein crown around quantum dots protects the body from heavy metals [132, 174]

Toxic effects of QDs in vivo are usually studied in experiments on mice and rats [123]. A study on the toxicity of cadmium-based QDs for mice showed that QDs were distributed throughout the body as soon as 15 min after injection to the caudal vein, after which they accumulated in the liver, kidneys, spleen, red bone marrow, and lymph nodes. Two years after the injection, fluorescence was mainly retained in lymph nodes; in other organs, no QDs were detected [124]. It should be also noted that the fluorescence spectrum was shifted to the blue spectral region because of the destruction of the QD shell and changes in the shape, size, and surface charge of the QDs. This, however, occurred rather slowly, because the QDs were found to be nontoxic after their injection at the doses at which pure cadmium ions would have had a lethal effect. Similar results were obtained by Yang et al. [125]. Zhang et al. [95] showed that CdTe QDs predominantly accumulated in the liver, decreasing the amount of antioxidants in it and inducing oxidative stress in liver cells.

Cadmium and tellurium ions tend to accumulate in various organs and tissues upon degradation and decay of the cores of CdTe/ZnS QDs. Experiments on mice have shown that cadmium predominantly accumulates in the liver, kidneys, and spleen, whereas tellurium accumulates almost exclusively in the kidneys [126]. Ballou et al. [127] found that cadmium-containing QDs coated with polymer shells of polyacrylic acid or different derivatives of polyethylene glycol had no lethal effect on experimental mice and remained fluorescent for 4 months. СdSe/ZnS NPs also had no detectable pathological effect on mice [128]; however, the absence of distinct signs of pathology still does not mean that the QDs are absolutely nontoxic.

Hu et al. [129] found that lead-containing QDs had no toxic effect on mice for 4 weeks; however, this was most probably because the QDs studied were coated with a polyethylene glycol shell.

Since heavy metals contained in QDs are a factor of their toxicity, several research groups suggested that heavy-metal-free NPs be synthesized. For example, Pons et al. [130] synthesized CuInS2/ZnS QDs fluorescing in the near-infrared spectral region (at a wavelength of about 800 nm) and supposed that this composition would make the QDs nontoxic for experimental animals. Comparison of the effects of CuInS₂ /ZnS and CdTeSe/CdZnS QDs on regional lymph nodes in mice showed that the lymph nodes were only slightly, if at all, enlarged upon injection of the QDs not containing heavy metals, whereas injection of the CdTeSe/CdZnS QDs induced a distinct immune response in them [130]. QDs in which silicon was substituted for heavy metals also had no toxic effect on mice [131].

Even QDs containing heavy metals are often found to be nontoxic. One of the possible explanations is that QDs are coated with the protein crown upon entering the living body; this crown shields their surface and protects cells against damage [132]. Usually, the proteins that are included in the NP molecular corona are major serum proteins, such as albumin, immunoglobulin G (IgG), fibrinogen, and apolipoproteins [133]. Molecular corona also can influence on the interaction of NPs with cells. Zyuzin et al. have demonstrated that, in human endothelial cells, the NP protein corona decreases the NP nonspecific binding to the cell membrane, increases the residence time of NP in early endosomes, and reduces the amount of internalized NPs [134].

However, even in the absence of direct signs of intoxication in experimental animals, it remains unclear whether the use of QDs in medicine is safe for humans. In some cases, the QD toxicity was not detected in mice because the NPs were neutralized by the liver and accumulated in it [135]; in other cases, QDs coated with phospholipid micelles exhibited reduced toxicity owing to the shell [129]. Despite the extensive in vivo studies on QD toxicity, their use in biomedicine remains an open question. One of the main reasons is that all the delayed effects of QDs cannot be monitored in experimental animals, because their lifespan is as short as a few years, which is insufficient for complete elimination or degradation of NPs.

Conclusions

The potential toxicity of NPs is the main problem of their use in medicine. Therefore, not only positive results of the use of NPs, but also the possible unpredictable negative consequences of their action on the human body, should be scrutinized. The toxicity of NPs is related to their distribution in the bloodstream and lymph stream and their capacities for penetrating into almost all cells, tissues, and organs and interacting with various macromolecules and altering their structure, thereby interfering with intracellular processes and the functioning of whole organs. The NP toxicity strongly depends on their physical and chemical properties, such as the shape, size, electric charge, and chemical compositions of the core and shell. Many types of NPs are not recognized by the protective systems of cells and the body, which decreases the rate of their degradation and may lead to considerable accumulation of NPs in organs and tissues, even to highly toxic and lethal concentrations. However, a number of approaches to designing NPs with a decreased toxicity compared to the traditional NPs are already available. Advanced methods for studying the NP toxicity make it possible to analyze different pathways and mechanisms of toxicity at the molecular level, as well as reliably predict the possible negative effect at the body level.

Thus, it is obvious that designing NPs that have small or no negative effects is impossible unless all qualitative and quantitative physical and chemical properties of NPs are systematically taken into consideration and a relevant experimental model for estimating their influence on biological systems is available.

Abréviations

FDA:

Food and Drug Administration

IL-1β:

Interleukin-1-beta

MRT:

Magnetic resonance tomography

NP :

Nanoparticule

QD :

Point quantique

ROS:

Reactive oxygen species

SEM :

Microscopie électronique à balayage

TEM :

Microscopie électronique à transmission

TNFα:

Tumor necrosis factor alpha